《光纤通信系统》课件

光纤通信系统本课程探索当代光纤通信技术，从基础原理到前沿应用，助力学生掌握这一关键信息传输领域光纤通信的发展历史年11966高克提出低损耗光纤可能性年21970康宁公司研制出衰减小于的光纤20dB/km年31976日本建成首条光纤通信线路NTT年后42000大规模普及与移动互联网时代光纤通信的基本原理电信号输入将信息转化为电信号电光转换-激光器将电信号转为光信号光信号传输利用全反射原理在光纤中传播光电转换-光探测器恢复电信号电信号与光信号转换发射端传输媒介激光器将电信号转化为光波光纤中光信号传播放大处理接收端信号放大与再生光电二极管将光信号转回电信号光纤的结构纤芯传输光信号的中心部分包层形成全反射条件的外层涂覆层保护光纤的高分子材料单模光纤与多模光纤单模光纤多模光纤芯径芯径8-10μm50-

62.5μm传输距离数十至上百公里传输距离几百米至数公里带宽极高带宽较低应用长距离传输、骨干网应用局域网、短距离连接光纤的主要类型G.652G.655标准单模光纤非零色散位移光纤应用最广泛适用于DWDM系统1310nm波段零色散C波段低色散G.657海底光缆抗弯曲光纤特殊结构设计FTTH应用抗水压、抗腐蚀安装灵活便捷高可靠性要求光纤的光学特性折射率分布数值孔径NA阶跃型突变入射光锥角的正弦渐变型平滑过渡单模约，多模

0.

10.2-

0.3模场直径工作波长光能量分布范围常用波段850/1310/1550nm影响耦合效率光纤损耗机制吸收损耗材料本征吸收与杂质吸收瑞利散射材料密度起伏引起的散射弯曲损耗宏观弯曲与微弯引起连接损耗接头不完美造成的能量损失色散与带宽模式色散多模光纤中各模传输速度不同材料色散不同波长光在材料中速度差异波导色散光波在波导中传播特性引起带宽限制色散导致信号展宽与失真光纤的基本制造流程预制棒制备、等工艺MCVD VAD形成高纯度石英棒拉丝工艺高温熔融2000℃精确控制直径涂覆保护固化涂层UV提供机械强度测试质检光学性能测试确保质量达标光缆结构与护套光缆结构分为单芯、多芯、带状、层绞等多种类型护套材料根据使用环境选择、、等PE PVCLSZH光纤连接方式熔接机械接头法兰盘连接损耗最小（快速连接便于重复连接

0.02-）

0.1dB损耗较大（）常用于实验室

0.1-

0.5dB永久性连接压接式连接无需特殊工具现场快速施工光收发模块模块模块模块SFP QSFPDWDM小型可插拔，速率四通道，速率密集波分复用，多波长1-10G40-400G激光器原理与器件类型特点应用场景激光器多纵模、线宽宽短距离传输FP激光器单纵模、线宽窄长距高速传输DFB成本低、功耗小数据中心短距VCSEL光探测器件类型光放大器技术掺铒光纤放大器半导体光放大器拉曼放大器EDFA SOA工作波长波段工作波长可覆盖多个波段工作波长灵活可调1550nm C增益增益增益分布式放大20-30dB15-25dB特点不依赖信号格式特点体积小，可集成特点低噪声，宽带应用长距离系统应用光交换，短距系统应用超长距离传输DWDM光分路器与合波器1×N

0.3dB分支比插入损耗常见1×

2、1×

4、1×

8、1×

16、1×32理想分光器的额外损耗55dB40nm反射隔离度工作带宽抑制反射光干扰能力可同时工作的波长范围光耦合器与环形器光耦合器光环形器波分复用器功能功率分配或合并功能单向传输光信号功能合并不同波长光类型定向耦合、型耦合应用双向系统中分离收发信号技术薄膜滤光片或光栅Y光信号放大原理泵浦激励外部光源提供能量受激辐射信号光触发辐射放大信号增益输出功率提高但信噪比下降级联效应多级放大导致噪声积累光纤通信系统构成发射端信源编码、调制、电光转换传输通道光纤、中继、放大器接收端光电转换、解调、信源解码监控系统性能监测、故障告警点到点光纤通信基本结构企业应用电信应用两端设备直接光纤连接数据中心间高速链路城际长途干线多路复用（和）WDM TDM波分复用时分复用WDM TDM原理多个波长同时传输原理分时段使用同一信道分类粗波分与密集波分分类同步与统计CWDMDWDMSTDM ATDM特点物理层复用，互不干扰特点简单实用，成本低容量单纤最高可达数十容量受电子设备速度限制Tbps光纤通信系统的调制方式调制调制FSK PSK光频率变化表示数据光相位变化表示数据实现复杂，应用较少抗干扰能力强，高频谱效率调制偏振调制ASK光强度变化表示数据光偏振状态表示数据简单实用但抗干扰能力弱适用于相干光通信4常见调制格式高级调制技术高阶QAM1，高频谱效率64QAM/256QAM双偏振QPSK两偏振面上的调制QPSK相干检测技术3保留幅度相位信息光信号解调原理直接检测相干检测原理光强度直接转换为电流原理信号光与本振光混频特点简单、低成本特点可检测相位信息限制只能检测光强度优势高接收灵敏度应用低速短距离传输应用高速长距离传输误码率分析定义测量方法典型指标接收端错误比特与测试仪，伪随电信级要求BER10^-总比特比值机序列以下12改善方法前向纠错编码FEC系统链路预算发射功率典型值0-10dBm光纤损耗在约G.6521550nm

0.2dB/km连接器损耗每个接头

0.2-

0.5dB系统裕量通常预留余量3-6dB光纤传输的非线性效应自相位调制SPM高功率导致相位调制信号展宽与畸变交叉相位调制XPM不同波长间相互影响WDM系统中显著四波混频FWM产生新频率分量信道间串扰干扰受激散射布里渊SBS拉曼SRS光纤通信中的噪声源放大自发辐射是光放大器中主要噪声源ASE散粒噪声来自光子的随机性热噪声源于电子随机运动光纤通信系统设计流程需求分析带宽、距离、成本目标方案设计器件选型、链路规划系统仿真性能验证和优化工程实施设备部署与测试系统稳定性与管理测试光谱分析网管平台OTDR定位断点和损耗分布监测信道功率和远程监控与告警管理OSNR光网络架构概述点对点环形网络1直接连接两点自愈合能力强网状结构星型网络可靠性极高集中管理方便光接入网与FTTxFTTH光纤到户，最完整解决方案FTTB光纤到楼，共享终端接入FTTC光纤到路边，铜线最后一段光纤到户案例介绍FTTH95%城市覆盖率中国主要城市FTTH覆盖比例1Gbps千兆光网标准家庭宽带接入速率亿1+用户规模中国FTTH用户数量10Gbps未来目标下一代接入网速率城域光纤网络超长距离与海底光缆1988年2010年首条跨大西洋光缆技术应用TAT-8100G12342000年2020年亚太区光缆兴起亚欧非多路径系统数据中心与光互连服务器间连接有源光缆，短距高速AOC机架间互连多芯光纤系统MPO/MTP集群间通信以太网光模块100G/400G跨数据中心长距高容量系统DWDM下一代光纤通信技术空分复用SDM多芯少模光纤/单纤容量倍增全光网络光交换与路由无电光电转换--硅光子学光电集成低成本小型化新型光材料光子晶体光纤超低损耗硅基材料量子通信与光纤量子密钥分发发展现状QKD基本原理不确定性中国领先世界首条量子干线单光子传输墨子号量子科学实验卫星安全性保证物理层不可破解商用化探索传输距离百公里量级标准化进程推进光纤传感技术简介光纤传感类型分布式、点式、干涉型应用领域石油管道监测、结构健康、地震预警优势抗电磁干扰、本质安全、可远距离分布测量智慧城市中的光纤通信前传回传物联网骨干视频监控5G/基站互联与云化海量终端数据汇聚高清摄像头实时传输RAN智能交通信号灯协同与路况监测光纤通信在军事领域战术通信高安全性抗电磁干扰轻量化野战光缆舰艇内网信息化战舰电磁兼容性好空间节省雷达系统相控阵信号处理大数据量传输低延迟要求保密通信量子加密难以截获高等级安全保障行业标准与规范光纤通信市场与产业链光纤光缆通信设备长飞、亨通、中天科技华为、中兴、诺基亚、思科光器件运营商光迅科技、烽火通信中国电信、移动、联通发展面临的挑战成本压力光纤价格持续下跌网络复杂度2维护与管理难度增加容量瓶颈3单模光纤逼近香农极限未来发展趋势展望超高容量光电集成智能化级传输系统硅光子技术突破赋能的自优化网络Pb/s AI总结与学习建议1基础理论先行物理、信号与系统、通信原理2实验操作熔接机、使用OTDR3仿真掌握等软件应用OptiSystem4行业前沿会议、学术期刊跟踪OFC问答与讨论欢迎通过以下方式提问讨论课后答疑时间周

二、周四下午点3-5教师邮箱professor@university.edu.cn课程群QQ123456789。